Крошечный обитатель пресных водоемов, инфузория Stentor coeruleus, продемонстрировала признаки ассоциативного обучения, несмотря на отсутствие мозга и нервной системы. Эксперимент показал, что одноклеточные организмы способны связывать между собой события и предугадывать, что одно последует за другим. Это указывает на возможность возникновения ассоциативного обучения задолго до появления нервной системы у многоклеточных организмов.

Формы обучения у одноклеточных

Долгое время биологи обсуждали, способны ли одноклеточные организмы учиться на собственном опыте. Самая простая форма обучения — привыкание, когда организм перестает реагировать на повторяющийся и безопасный раздражитель. Примеры такого поведения встречаются у некоторых растений, простейших и животных.

Более сложной формой обучения является ассоциативное обучение, при котором организм связывает два события и начинает воспринимать один стимул как предвестник другого. Классическим примером считается опыт с собаками, в ходе которого животные начинали выделять слюну при звуке, предшествующем кормлению.

Ранее считалось, что для ассоциативного обучения необходима хотя бы примитивная нервная система, поэтому одноклеточные считались неспособными к такому типу обучения.

Эксперимент с инфузорией Stentor coeruleus

Группа американских биологов провела эксперимент с инфузорией Stentor coeruleus, обитающей в пресной воде. Этот организм имеет трубкообразную форму длиной менее миллиметра, с одной стороны прикрепляется к поверхности, а с другой — оснащен ротовым аппаратом с ресничками для фильтрации пищи.

При угрозе у инфузории срабатывает защитный рефлекс: специальные волокна вдоль клетки мгновенно сокращаются, и вся клетка сжимается в плотный шар, прекращая фильтрацию воды и захват пищи.

Ход эксперимента

В первой части эксперимента ученые наносили сильные удары по дну чашек Петри с культурами инфузорий. Первые удары вызывали мгновенное сокращение большинства клеток, но по мере повторения реакции ослабевали — инфузории привыкали к раздражителю.

Затем эксперимент усложнили: сначала наносили слабый удар, а через секунду — сильный. Такие пары сигналов повторялись каждые 45 секунд. Исследователи фиксировали, сколько клеток сокращается именно на слабый удар, до появления сильного. В начале число реагирующих резко увеличивалось, что свидетельствовало о формировании ассоциативной связи между слабым и сильным раздражителем. Со временем реакция снова ослабевала — клетки привыкали к последовательности сигналов.

Контрольный тест показал, что при подаче только слабого сигнала без последующего сильного удара сокращений практически не наблюдалось. Это подтверждает, что слабый удар стал для клеток предупреждением о грядущей опасности, а не просто раздражителем.

Влияние интервалов между сигналами

Эффективность обучения зависела от интервала между слабым и сильным ударами. Если промежуток был слишком большим, клетки "забывали" связь между событиями, и обучение проявлялось слабее. При слишком частых сигналах клетки не успевали восстанавливаться, и реакция также снижалась. Таким образом, частота повторения сигналов напрямую влияет на способность инфузории предугадывать опасность.

Механизмы памяти у одноклеточных

Способность к сложному обучению предполагает наличие механизма памяти. Предполагается, что в мембране инфузории есть рецепторы, реагирующие на прикосновение. При их активации в клетку поступают ионы кальция, меняется внутреннее напряжение, и клетка сокращается. При повторяющихся сигналах часть рецепторов изменяет работу, превращаясь в молекулярный "переключатель", который может блокировать сигнал тревоги, если внутренняя биохимическая система клетки "решает", что опасность не реальна.

Значение открытия

Результаты эксперимента указывают на древнее происхождение ассоциативного обучения. Сложные формы поведения могли появиться задолго до формирования первых многоклеточных организмов с зачатками нервной системы. Предполагается, что древние молекулярные механизмы, доставшиеся человеку от одноклеточных предков, до сих пор действуют внутри нейронов, позволяя им "обучаться" на входящих сигналах даже без изменений связей между клетками — на уровне простейших клеточных процессов.

Публикация результатов

Выводы исследователей представлены на сайте препринтов по биологии bioRxiv.